Spannungsrelaxation von 3D-druckbaren Photopolymeren

Abstract

This thesis looks into the phenomenon of stress relaxation of photopolymers. It can be observed, that the stress decreases over time, while the strain is kept constant. This mechanism is very unfavourable for the use of the tested photopolymers and research on correlations between this and other material parameters must be done. To achieve this goal, 54 different mixtures of photopolymer resins were prepared in the laboratory, brought to reaction and afterwards the solid materials were tested. The applied test methods were tensile testing, dynamic-mechanical analysis and the rheometric solid analysis. Furthermore, other parameters and their relation to the residual stress were analysed and possible correlations were verified. The result of this analysis was that the stress relaxation behaviour depends heavily on the glass transition temperature. The glass transition temperature correlates with the elongation at break in a negative way. Thermoplastic reference materials and Photopolymers with a low crosslink density had significant better residual stress qualities and at the same time higher values for the elongation at break. Also the parameters of the environment were modified during the measurements and it can be observed that 37 °C and water environment result in lower values for residual stress than 30 °C and surrounded by air. As these photopolymers are used in additive manufacturing not only casted but also printed materials are tested and the results were similar. The material parameters are independent from the production process and therefore comparable.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Phänomen der Spannungsrelaxation von Photopolymeren. Dabei wird beobachtet, dass die Spannung bei gleichbleibender Dehnung im Laufe der Zeit abnimmt. Da genannter Vorgang im praktischen Einsatz dieser Polymere äußerst ungünstig ist, gilt es herauszufinden welche anderen Werkstoffparameter einen Einfluss auf die Spannungsrelaxation haben. Zu diesem Zweck wurden 54 verschiedene Photopolymerharze in unterschiedlichen Mischungen im Labor hergestellt, gegossen, ausgehärtet und anschließend geprüft. Bei den durchgeführten Messungen handelt es sich um die Zugprüfung, die dynamisch-mechanische Analyse und die rheometrische Feststoffanalyse. In weiterer Folge wurden auch weitere Parameter in Relation zur Restspannung analysiert und auf Korrelationen überprüft. Im Zuge dieser Analyse wurde herausgefunden, dass das Spannungsrelaxationsverhalten stark vom der Glasübergangstemperatur abhängt und negativ mit der Bruchdehnung korreliert. Thermoplastische Referenzmaterialien und Photopolymere mit geringer Netzwerkdichte lieferten hier signifikant bessere Restspannungswerte bei gleichzeitig höherer Bruchdehnung. Ebenso wurde der Einfluss der Umgebungsbedingungen überprüft. Dabei wurde festgestellt, dass Proben bei 37 °C in Wasser ein schlechteres Spannungsrelaxationsverhalten zeigen als Proben bei 30 °C in Luft. Da die hier verwendeten Photopolymere für die additive Fertigung dienen, wurden auch 3D-gedruckte Proben und gegossene Proben miteinander verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Messergebnisse unabhängig vom Herstellungsverfahren und somit vergleichbar sind.